专利名称：一种彩色数字全息像的获取方法
技术领域：
本发明涉及一种彩色数字全息像的获取方法，属于数字全息技术领域。是一种基 于数字全息术和无透镜傅里叶变换全息术的彩色数字全息像的获取方法。
背景技术：
对彩色物体的全息记录和显示是全息技术应用的一个重要方面，目前普遍采用的 方法为传统的光学全息术，如彩虹全息术，透射式真彩色全息术，反射式真彩色全息 术，真彩色合成全息术等(《光学全息及其应用》，于美文著)。它们的实现方法较为复 杂，主要原因在于首先，全息图的记录光路复杂，不易搭建和调整；其次，干板等 化学记录介质无法重复使用，用其记录全息图成本太高，且不便于全息图的复制及传 输；再次，须将全息图复位到原光路中才能进行彩色全息再现像的观察，且其质量易 受到色串扰、全息图复位精度及观察视角等的影响。
利用数字全息术获得所记录物体的彩色全息像是目前全息技术发展的一个重要方
向。B. Javidi禾口 D. Alfieri等人在其论文《Method for superposing reconstructed images from digital holograms of the same object recorded at different distance and wavelength》 (Optics Communications 260(2006)， 113-116)禾口《Three-dimensional image fUsion by use ofmultiwavelength digital holography》(Optics Letters 30(2005), 144-146)中通过对使用 离轴菲涅耳全息光路记录的数字全息图进行补零处理来调整不同全息图记录条件(记
录波长和记录距离)下数字全息像的显示大小，在此基础上对获得的显示尺寸相同的 红、绿单色全息像进行合成得到彩色数字全息像，但是由离轴菲涅耳全息记录光路记 录的数字全息图，其数值再现像在重建像平面上的位置，随全息图记录时的物参夹角 及记录距离的改变而变化，因而不能保证不同记录距离处数值再现像的准确重合，这将导致合成的彩色数字全息像的边界和细节变得不清晰，影响了彩色全息再现像的质
量o
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种彩色数字全息像的获取方法，可 以克服传统光学彩色全息术中所存在的问题与困难。能够保证彩色数字全息像合成时， 各单色数字全息像在重建像平面上位置的准确重合，以获得具有清晰边界和细节结构 的准确彩色数字全息像。
技术方案
本发明的技术特征在于方法步骤为
(1) 使用黑白型面阵CCD和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，分别
拍摄被记录物体在红、绿、蓝激光照明下的单色数字全息图AR， Ae， AB;
(2) 对采集到的单色数字全息图AR， AG， AB，分别根据其记录距离和记录波长进 行补零处理，得到相应的补零数字全息图BR， BG， BB;
(3) 对补零数字全息图BR， BG， BB分别进行中值滤波预处理，得到相应的中值滤 波预处理全息图CR， CG， CB;
(4) 对中值滤波预处理全息图CR， CG， CB分别进行逆快速傅里叶变换操作，得到 相应的红、绿、蓝单色数字全息像；
(5) 将红、绿、蓝各单色数字全息像分别输入到一个像素数为ATxWx3的三层零矩 阵的第一、第二和第三层中，得到被记录物体的彩色数字全息像。
单色数字全息图A表示单色数字全息图Ar或Ag或AB，记录波长为;i，记录距离 为D，像素数目为A^xA^， A^为位于数字全息图记录平面的CCD的像素尺寸，A/补零数字全息图B的数值重建像的像素尺寸；所述的单色数字全息图A补零处理步骤 为
(1) 根据Z^Z^/ID/A/A//;,得到补零处理的零矩阵在一维方向上的像素数目，并 建立一个像素数目为Z^xZy的零矩阵；
(2) 用单色数字全息图A的矩阵中坐标为[X，Y]的像素值替换零矩阵中坐标为 [X+0.5x(丄;rA^), Y+0.5x(丄yAV)]的零像素值，得到像素数目为的补零数 字全息图B。
所述的中值滤波预处理步骤为
(1) 以mx"的中值滤波窗口对补零数字全息图B进行中值滤波，得到中值滤波全 息(2) 将补零数字全息图B与它的中值滤波全息图相减，得到中值滤波预处理全息 图C。
所需要的每个单色数字全息图AR、 Ac和AB的数目为大于等于l，在记录波长不 变情况下记录距离不相同。
所述的mxw的取值范围为2~10区间中的整数。
一种所述的拍摄被记录物体的多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，其 特征在于红、绿、蓝各激光器发出的光束分别被分束为第一光束和第二光束，第一 光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合。第一光束照射被记录物体，第二光 束经过扩束转化为球面光波后与被照射物体反射的第一光束相互干涉，并形成一干涉 区域；黑白型面阵CCD设置在干涉区域内，且球面光波的源点到黑白型面阵CCD光敏 面的光程与被记录物体到黑白型面阵CCD光敏面的光程相等；在红、绿、蓝激光器各 自的输出端设计了控制激光束通过与否的电子快门。所述的被记录物体到黑白型面阵c(5d光敏面的光程即记录距离的改变，通过调节
黑白型CCD沿垂直于全息图记录平面方向的位移实现。
有益效果
本发明提出的彩色数字全息像的获取方法，相对于离轴菲涅耳全息术，无透镜傅 里叶变换全息术其记录的数字全息图的数值再现像在数值重建像平面上的位置由记录 时物平面上被记录物体与参考点光源之间的距离所固定，不随记录距离的改变而变化， 且对被测物体的横向尺寸约束较小，具有较大的空间带宽积。
首先，本方法使用数字全息术进行被记录物体的彩色全息再现，克服了传统光学
彩色全息术中所存在的问题与困难，使得记录和再现过程均大为简化；其次，在彩色
数字全息像的获取过程中，采用多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路进行各 单色数字无透镜傅里叶变换全息图的记录，由于其重建像平面上的数值再现像到该平 面中心的距离准确等于记录物平面上被记录物体中心到参考点光源之间的距离，而与 全息图的记录距离无关，因此可以很好地保证不同记录距离处各单色再现像位置的准
确重合，使得合成得到的彩色数字全息像具有清晰的边界及细节结构；再次，基于无 透镜傅里叶变换全息术的光路结构在全息图记录时能够充分利用CCD的有限带宽，降 低对CCD分辨率的要求，因而有利于所获得的彩色数字全息像的分辨率的提高;最后， 数字无透镜傅里叶变换全息图的数值重建过程简单，仅通过一次二维傅里叶变换就可 以获得数字全息像，能够节省大量运算时间，满足实时化处理的要求。
图1:实施例的多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路
图2:实施例l的实验结果，其中(a)、 (b)、 (C)分别为未根据记录条件对各单色 数字无透镜傅里叶变换全息图进行补零处理而得到的红、绿、蓝各色数字全息像；(d)、(e)为根据记录条件对单色数字全息图进行补零处理后得到的红、绿各色数字全息像 (数值重建像的像素尺寸与(c)相同)；(f)为由(c)、 (d)、 (e)合成得到的彩色数字全息像。
图3:实施例2的实验结果，其中(a)为不同记录距离处红光数字全息再现像的 合成结果；(b)、 (c)分别为相应的绿光及蓝光数字全息再现像的合成结果；(d)为由 (a)(b)(c)合成得到的彩色数字全息像；(e)为对(d)中彩色数字全息像的放大图；(f) 为拍摄的被记录物体的数码照片。
具体实施例方式
现结合附图对本发明作进一步描述
实施例l的步骤如下步骤l是记录过程，步骤2到5是再现过程。
(1) 使用黑白型面阵CCD和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，分别 拍摄被记录物体在红、绿、蓝激光照明下的单色数字全息图AK， Acj， AB;
(2) 对采集到的单色数字全息图AR， AG， AB，分别根据其记录距离和记录波长进 行补零处理，得到相应的补零数字全息图BK， Be， BB;
(3) 对补零数字全息图Bp BG， BB分别进行中值滤波预处理，得到相应的中值滤 波预处理全息图CR， C(3， CB;
(4) 对中值滤波预处理全息图CR， CG， CB分别进行逆快速傅里叶变换操作，得到 相应的红、绿、蓝单色数字全息像；
(5) 将红、绿、蓝各单色数字全息像分别输入到一个像素数为AfxWx3的三层零矩 阵的第一、第二和第三层中，得到被记录物体的彩色数字全息像。
图1为多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路的实施例红光激光器选择 波长为632.8nm的氦氖(He-Ne)激光器，绿光激光器选择波长为532nm的半导体激 光泵浦的固体激光器，蓝光激光器选择波长为473nm的半导体激光器。红、绿、蓝各激光器发出的光束分别被分束为第一光束和第二光束，第一光束彼此间严格重合，第 二光束彼此间严格重合。第一光束照射被记录物体，第二光束经过扩束转化为球面光
波后与被照射物体反射的第一光束相互干涉，并形成一干涉区域。黑白型面阵CCD就 设置在干涉区域内。黑白型面阵CCD的像素数目为1392Hxl040v，像素尺寸为 4.65iumx4.65iim，且球面光波的源点到黑白型面阵CCD光敏面的光程与被记录物体到 黑白型面阵CCD光敏面的光程相等。电子快门可以选择红、绿、蓝各色激光束的通过 时间，对单色数字全息图的记录波长进行控制。通过调节黑白型CCD沿垂直于全息图 记录平面方向的位移大小，可以实现对单色数字全息图的记录距离(被记录物体到黑 白型面阵CCD光敏面的光程)的控制。
使用本实施例的多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路分别拍摄了被记录 物体的红、绿、蓝各单色数字全息图AR， AG， AB。红光数字全息图AR的记录条件为 A尸632.8nm， A=45cm;绿光数字全息图AG的记录条件为;if532nm， D2=46cm;蓝光 数字全息图AB的记录条件为义尸473nm， Z)3=47cm。
对采集到的单色数字全息图AR， Ac, AB，分别根据其记录距离和记录波长进行 补零处理，得到相应的补零数字全息图BR， BG， BB的步骤2，它的实施过程为假设 单色数字全息图A的记录波长为A，记录距离为D，像素数目为A^xA^， A^为位于数 字全息图记录平面的CCD的像素尺寸，A/为补零数字全息图B的数值重建像的像素 尺寸；a.根据公式丄乂丄y^;LD/A/A/w计算用于对单色数字全息图A进行补零处理的零 矩阵在一维方向上的像素数目；b.建立一个像素数目为丄xx丄r的零矩阵；c.用单色 数字全息图A的矩阵中坐标为[X,Y]的像素值替换零矩阵中坐标为[X+0.5x( Z^^a Y+0.5x(LW^)]的零像素值，得到像素数目为Z^xZ^的补零数字全息图B。按照上述步 骤(a-c)，分别对单色数字全息图AR， AG， AB进行补零处理，得到相应的补零数字全息圏Br， Bg， Bb。
对补零数字全息图BR， BG， BB分别进行中值滤波预处理，得到相应的中值滤波 预处理全息图CR， CG， Cb的歩驟3，它包含以下步骤a.设定中值滤波窗口的大小 为3x3; c.将补零数字全息图B与它的中值滤波全息图相减，得到中值滤波预处理全 息图C; d.按照上述步骤(a-c)对补零数字全息图BK， BG， BB分别进行中值滤波预处 理，得到相应的中值滤波预处理全息图CR， Cc， CB。
对中值滤波预处理全息图CR， Co, CB分别进行数值重建，得到相应的红、绿、 蓝单色数字全息像的步骤4，它包含以下步骤a.对中值滤波预处理全息图CK， Ce， CB分别进行逆快速傅里叶变换运算操作；b.操作完成之后即得到相应的红、绿、蓝 单色数字全息像。
对红、绿、蓝单色数字全息像进行合成，得到彩色数字全息像的步骤5，它包含 以下步骤a.建立一个像素数为i^xA^3的三层零矩阵；b.将红、绿、蓝各单色数字
全息像分别输入到该三层零矩阵的第一、第二和第三层中，单色数字全息像为某单一
记录距离处CCD拍摄的该色数字全息图的数值重建像；c.对输入各单色数字全息像
后得到的三层矩阵进行显示，即得到被记录物体的彩色数字全息像。
具体运算为根据记录条件，计算得到各补零数字全息图在一维方向上像素数目 之间的关系为A丄2,3-义iA:义2A:為"3-1.281:U01:l;取蓝光补零全息图的像素数目为 1392Hxl392v，则此时红光和绿光补零全息图的像素数应分别为1784Hxl784v和 1532Hxl532v。图2为对该实施方式的效果说明图，其中(a)、 (b)、 (c)分别为未根据记 录条件对各单色数字全息图进行补零处理而得到的红、绿、蓝单色全息再现像，(d)、
(e) 为根据记录条件对单色数字全息图进行补零处理后得到的红、绿单色全息再现像，
(f) 为由(c)、 (d)、 (e)合成得到的彩色数字全息像。可以看出，用于彩色合成的各单色数字全息再现像的显示尺寸一致，位置准确重合，合成得到的彩色数字全息像具有清晰 的边界和细节结构。
实施例2:实施例1的不同之点是方法步骤的第5步，实施例1中用于合成彩色
数字全息像的单色数字全息像为由黑白型CCD在某单一记录距离处拍摄的该色数字 全息图的数值重建像，实施例2中用于合成彩色数字全息像的单色数字全息像为由黑 白型CCD分别在多个不同记录距离处拍摄的多张该色数字全息图的数值重建像的叠 加结果，后者相对于前者，其数值重建像面上的散斑场由于叠加平滑而得到了很好地 抑制，因此由其可以合成质量更高的彩色数字全息像。
红光数字全息图AR的记录条件为;^632.8nm， ￡> =45cm， A2=46cm， A3=47cm; 绿光数字全息图Ac的记录条件为;if532nm， Z)21=45cm， Z)22=46cm， Z)23=47cm;蓝光 数字全息图Aa的记录条件为;^473nm， A产45cm， A2:46cm， A3=47cm。
根据上述的记录条件，按照实施例1的步骤1~4进行实施，然后在步骤5中，将 红、绿、蓝各3个不同距离的、共9个单色数字全息像进行合成，得到彩色数字全息 像。它包含以下步骤a.建立一个像素数为7l^A^3的三层零矩阵；b.将红、绿、蓝 各单色数字全息像分别输入到该三层零矩阵的第一、第二和第三层中，单色数字全息 像为多个不同记录距离处(45cm， 46cm， 47cm ) CCD分别拍摄的多张该色数字全息 图数值重建像的叠加结果；c.对输入各单色数字全息像后得到的三层矩阵进行显示， 即得到被记录物体的彩色数字全息像。
权利要求
1. 一种彩色数字全息像的获取方法，其特征在于方法步骤为(1)使用黑白型面阵CCD和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，分别拍摄被记录物体在红、绿、蓝激光照明下的单色数字全息图AR，AG，AB；(2)对采集到的单色数字全息图AR，AG，AB，分别根据其记录距离和记录波长进行补零处理，得到相应的补零数字全息图BR，BG，BB；(3)对补零数字全息图BR，BG，BB分别进行中值滤波预处理，得到相应的中值滤波预处理全息图CR，CG，CB；(4)、对中值滤波预处理全息图CR，CG，CB分别进行逆快速傅里叶变换操作，得到相应的红、绿、蓝单色数字全息像；(5)将红、绿、蓝各单色数字全息像分别输入到一个像素数为M×N×3的三层零矩阵的第一、第二和第三层中，得到被记录物体的彩色数字全息像。
2. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的获取方法，其特征在于单色数字全息 图A表示单色数字全息图Ar或Ag或Ab，记录波长为;i，记录距离为Z)，像素数 目为A^x W， A^为位于数字全息图记录平面的CCD的像素尺寸，A/为补零数字 全息图B的数值重建像的像素尺寸；所述的单色数字全息图A补零处理步骤为(1) 根据Z^L—AD/A/A///，得到补零处理的零矩阵在一维方向上的像素数目，并 建立一个像素数目为丄xxZy的零矩阵；(2) 用单色数字全息图A的矩阵中坐标为[X,Y]的像素值替换零矩阵中坐标为 [X+0.5x(丄;rA^)， Y+0.5x(ZWV》]的零像素值，得到像素数目为Z^x&的补零数 字全息图B。
3. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的获取方法，其特征在于所述的中值滤 波预处理步骤为(1) 以mx"的中值滤波窗口对补零数字全息图B进行中值滤波，得到中值滤波全 息图；(2) 将补零数字全息图B与它的中值滤波全息图相减，得到中值滤波预处理全息 图C。
4. 根据权利要求1所述的彩色数字全息像的获取方法，其特征在于所需要的每个单色数字全息图AR、 Ag和AB的数目为大于等于1，在记录波长不变情况下记录 距离不相同。
5. 根据权利要求3所述的彩色数字全息像的获取方法，其特征在于所述的mx"的 取值范围为2 10区间中的整数。
6. —种实现权利要求1所述的拍摄被记录物体的多记录波长无透镜傅里叶变换全息 图记录光路，其特征在于红、绿、蓝各激光器发出的光束分别被分束为第一光 束和第二光束，第一光束彼此间严格重合，第二光束彼此间严格重合；第一光束照射被记录物体，第二光束经过扩束转化为球面光波后与被照射物体反射的第一光束相互干涉，并形成一干涉区域；黑白型面阵CCD设置在干涉区域内，且球面 光波的源点到黑白型面阵CCD光敏面的光程与被记录物体到黑白型面阵CCD光敏 面的光程相等；在红、绿、蓝激光器各自的输出端设计了控制激光束通过与否的 电子快门。
7. 根据权利要求6所述的多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，其特征在 于被记录物体到黑白型面阵CCD光敏面的光程即记录距离的改变，通过调节黑 白型CCD沿垂直于全息图记录平面方向的位移实现。
全文摘要
本发明涉及一种彩色数字全息像的获取方法，技术特征在于使用黑白型面阵CCD和多记录波长无透镜傅里叶变换全息图记录光路，分别拍摄被记录物体在红、绿、蓝激光照明下的单色数字全息图；对采集到的单色数字全息图进行补零处理，得到相应的补零数字全息图后分别进行中值滤波预处理，得到相应的中值滤波预处理全息图并进行逆快速傅里叶变换操作，将得到的红、绿、蓝各单色数字全息像分别输入到三层零矩阵中，得到被记录物体的彩色数字全息像。本方法的再现像在数值重建像平面上的位置由记录时物平面上被记录物体与参考点光源之间的距离所固定，不随记录距离的改变而变化，且对被测物体的横向尺寸约束较小，具有较大的空间带宽积。
文档编号G03H1/26GK101452253SQ20071018845
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者姜宏振, 赵建林, 邸江磊 申请人:西北工业大学